第1章半导体二极管与整流电路

第1章半导体二极管与整流电路1.3半导体二极管的应用1.4二极管整流电路1.5稳压二极管及其应用1.2半导体二极管1.1半导体基础知识1.6光敏二极管1.7发光二极管电子技术模拟电子技术数字电子技术二极管及其应用三极管及其应用组合逻辑电路时序逻辑电路

电子技术的组成1.理解PN结的单向导电性；2.了解二极管、稳压管、工作原理和特性曲线，理解主要参数的意义；3.分析含有二极管的电路；理解并掌握单相整流电路和滤波电路的工作原理及参数的计算;4.了解稳压管稳压电路的工作原理。教学要求：1.1半导体基础知识1.1.1本征半导体与掺杂半导体导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。半导体的导电特性：（可做成温度敏感元件，如热敏电阻）。掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电能力明显改变（可做成各种不同用途的半导体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）。光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化（可做成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等）。热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强1.本征半导体GeSi通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。

完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征半导体。晶体中原子的排列方式硅单晶中的共价健结构共价健共价键中的两个电子，称为价电子。

Si

Si

Si

Si价电子1.本征半导体

Si

Si

Si

Si价电子

价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后，即可挣脱原子核的束缚，成为自由电子（带负电），同时共价键中留下一个空位，称为空穴（带正电）。本征半导体的导电机理这一现象称为本征激发。空穴

温度愈高，晶体中产生的自由电子便愈多。自由电子

在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子来填补，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当于空穴的运动（相当于正电荷的移动）。本征半导体的导电机理

当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现两部分电流

（1）自由电子作定向运动电子电流

（2）价电子递补空穴空穴电流注意：

（1）本征半导体中载流子数目极少,其导电性能很差；（2）温度愈高，载流子的数目愈多,半导体的导电性能也就愈好。所以，温度对半导体器件性能影响很大。自由电子和空穴都称为载流子自由电子和空穴成对地产生的同时，又不断复合。在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，半导体中载流子便维持一定的数目。2.掺杂半导体掺入五价元素

Si

Si

Si

Sip+多余电子磷原子在常温下即可变为自由电子失去一个电子变为正离子

在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）,形成掺杂半导体。

掺杂后自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，称为电子半导体或N型半导体。

在N

型半导体中自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。（1）N型半导体

掺杂后空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，称为空穴半导体或P型半导体。掺入三价元素

Si

Si

Si

Si

在P型半导体中空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。B–硼原子接受一个电子变为负离子空穴无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。（2）P型半导体杂质半导体的符号－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半导体++++++++++++++++++++++++N型半导体1.PN结的形成在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和N型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN结。1.1.2PN结－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++多子扩散运动内电场E少子漂移运动扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽。空间电荷区越宽，内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。空间电荷区，也称耗尽层。多子边扩散边复合漂移运动P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++空间电荷区N型区P型区1、空间电荷区中没有载流子。2、空间电荷区中内电场阻碍P区中的空穴、N区中的电子（都是多子）向对方运动（扩散运动）。3、P区中的电子和N区中的空穴（都是少子），数量有限，因此由它们形成的电流很小。注意:2.PN结的单向导电性

PN结正向偏置（加正向电压）：

P区接电源高电位端、N区接电源低电位端。

PN结反向偏置（加反向电压）：

P区接电源高电位端、N区接电源低电位端。－－－－++++RUS（1）PN结正向偏置内电场外电场变薄PN+_内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。+_空穴自由电子（2）PN

结反向偏置－－－－++++内电场外电场变厚NP+_内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。RUS_+空穴自由电子1、PN结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。结论：3、温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。2、PN结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，PN结处于截止状态。阴极引线阳极引线二氧化硅保护层P型硅N型硅(

c

)平面型金属触丝阳极引线N型锗片阴极引线外壳(

a)

点接触型铝合金小球N型硅阳极引线PN结金锑合金底座阴极引线(

b)面接触型1.2半导体二极管1.二极管的结构示意图阴极阳极(

d

)

符号D2.伏安特性UI导通压降:硅管0.6~0.7V,锗管0.2~0.3V。反向击穿电压UBRUBR远远大于UF一般为十几伏到几十伏UF死区电压硅管0.5V,锗管0.2V。PN+-正向偏置PN+-反向偏置反向截止区反向电流很小反向击穿区可控开关3.主要参数（1）最大整流电流IOM二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。（2）反向击穿电压UBR二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压URWM一般是UBR的一半或三分之二。（3）反向峰值电流IRM指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性能差，因此反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是主要利用它的单向导电性，主要应用于整流、限幅、保护等等。选用二极管时还需注意交流参数。（4）微变电阻rDiDuDIDUDQrD是二极管特性曲线上工作点Q附近电压的变化与电流的变化之比：显然，rD是对Q附近的微小变化区域内的电阻。uDiD2、二极管的单向导电性

（1）二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴极接负

）时，二极管处于正向导通状态，二极管正向电阻较

小，正向电流较大。

（2）二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴极接正）

时，二极管处于反向截止状态，二极管反向电阻较，

反向电流很小。

（3）外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。

（4）二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反向电流愈大。电路如图，求：UAB

V阳

=－6VV阴=－12VV阳>V阴二极管导通若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB=－6V否则，UAB低于－6V一个管压降，为－6.3Ｖ或－6.7V例1：

取B点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。

在这里，二极管起钳位作用。D6V12V3kBAUAB+–1.3半导体二极管的简单应用ui>8V，二极管导通，可看作短路uo=8V

ui<8V，二极管截止，可看作开路uo=ui已知：二极管是理想的，试画出uo

波形。8V例2：二极管的用途：

整流、检波、限幅、钳位、开关、元件保护、温度补偿等。ui18V参考点二极管阴极电位为8VD8VRuoui++––例3：二极管半波整流电路二极管：死区电压=0.5V，正向压降0.7V(硅二极管)考虑理想二极管：正向导通时：死区电压=0，正向压降=0，反向截止时：反向电流＝0。RLuiuo－＋＋－ARLuiuo－＋＋－uiuottooRLuiuo－＋＋－1.4二极管整流电路电源变压器:将交流电网电压u1变为合适的交流电压u2。整流电路滤波电路稳压电路u1u2u3u4uo整流电路滤波电路稳压电路整流电路:将交流电压u2变为脉动的直流电压u3。滤波电路:将脉动直流电压u3转变为平滑的直流电压u4。稳压电路:消除电网波动及负载变化的影响,保持输出电压uo

的稳定。1.4.1单相半波整流电路uDO2.工作原理u

正半周，Va>Vb，二极管D导通；3.工作波形

u负半周，Va<Vb，二极管D截止。1.电路结构–++–aTrDuoubRLioutOuoO4.参数计算（1）整流电压平均值Uo（2）整流电流平均值Io（3）流过每管电流平均值ID（4）每管承受的最高反向电压UDRM（5）变压器副边电流有效值I5.整流二极管的选择

平均电流ID与最高反向电压UDRM

是选择整流二极管的主要依据。选管时应满足：

IOM

ID

，URWMUDRM

1.4.2单相桥式整流电路桥式整流电路+-u2正半周时电流通路u1u2TD4D2D1D3RLuo桥式整流电路-+u0u1u2TD4D2D1D3RLu2负半周时电流通路u2>0时D1,D3导通D2,D4截止电流通路:A

D1RLD3Bu2<0时D2,D4导通D1,D3截止电流通路:BD2RLD4A输出是脉动的直流电压！桥式整流电路输出波形及二极管上电压波形u2D4D2D1D3RLuoABu2uD4,uD2uD3,uD1uo1.4.3整流电路的主要参数1.整流输出电压平均值（Uo）全波整流时，负载电压Uo的平均值为:2.负载平均电流（IL）平均电流(ID)与反向峰值电压(URM)是选择整流管的主要依据。在桥式整流电路中，每个二极管只有半周导。因此，流过每只整流二极管的平均电流ID

是负载平均电流的一半。

二极管截止时两端承受的最大反向电压：3.二极管平均电流4.二极管承受反向峰值电压单向全波整流电路+–+–+–+–变压器副边中心抽头，感应出两个相等的电压u2当u2正半周时，D1导通，D2截止。当u2负半周时，D2导通，D1截止。全波整流电压波形u2uLuD1t2340uD2uL20tIL=UL/RL=0.9U2

/RL

（2）输出电流平均值IL：（1）输出电压平均值UL：ILuD20t（3）流过二极管的平均电流：ID

=IL/2（4）二极管承受的最高反向电压：几种常见的硅整流桥外形+AC-~+~-~+-~交直流管脚用错将如何？造成短路烧毁变压器！滤波电路的结构特点:

电容与负载RL并联，或电感与负载RL串联。交流电压脉动直流电压整流滤波直流电压原理：利用储能元件电容两端的电压(或通过电感中的电流)不能突变的特性,滤掉整流电路输出电压中的交流成份，保留其直流成份，达到平滑输出电压波形的目的。1.4.5滤波电路以单向桥式整流电容滤波为例进行分析，其电路如图所示。1.电容滤波原理桥式整流电容滤波电路au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC+–（1）RL未接入时（忽略整流电路内阻）u2tuot设t1时刻接通电源t1充电结束没有电容时的输出波形au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC+–无放电回路电压保持（2）RL接入（且RLC较大）时（忽略整流电路内阻）u2tuot

在u2小于电容电压时，二极管截止，电容不充电，电容通过RL放电，uo会逐渐下降。当电容电压下降到低于u2时，又开始充电。au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC+–u2tuot只有u2电压大于uC时，二极管导通才有充电电流iD

。因此二极管电流是脉冲波。二极管电流iD的波形au1u2u1bD4D2D1D3RLuoSC+–iD可见，采用电容滤波时，整流管的导通角变小。一般取(T:电源电压的周期)近似估算:Uo=1.2U2。（2）流过二极管瞬时电流很大。RLC越大Uo越高

负载电流的平均值越大;

整流管导电时间越短iD的峰值电流越大故一般选管时，取2.电容滤波电路的特点（1）输出电压Uo与放电时间常数RLC有关。RLC愈大电容器放电愈慢Uo(平均值)愈大输出波形随负载电阻RL或C

的变化而改变,Uo

和S也随之改变。如:RL愈小(IL

越大),Uo下降多,S增大。结论：电容滤波电路适用于输出电压较高，负载电流较小且负载变动不大的场合。（3）输出特性（外特性）uo电容滤波纯电阻负载1.4U20.9U20IL例：

有一单相桥式整流滤波电路，已知交流电源频率f=50Hz，负载电阻RL=200，要求直流输出电压Uo=30V，选择整流二极管及滤波电容器。流过二极管的电流二极管承受的最高反向电压变压器副边电压的有效值uRLuo++––~+C解：（1）选择整流二极管可选用二极管2CP11IOM=100mAUDRM=50V

例：

有一单相桥式整流滤波电路，已知交流电源频率f=50Hz，负载电阻RL=200，要求直流输出电压Uo=30V，选择整流二极管及滤波电容器。取RLC=5

T/2已知RL=50uRLuo++––~+C解：（2）选择滤波电容器可选用C=250F，耐压为50V的极性电容器3.电感滤波电路结构:

在桥式整流电路与负载间串入一电感L

就构成了电感滤波电路。电感滤波电路u2u1RLLuo对直流分量:

XL=0相当于短路,电压大部分降在RL上。对谐波分量:

f

越高，XL越大,电压大部分降在XL上。

因此，在输出端得到比较平滑的直流电压。Uo=0.9U2当忽略电感线圈的直流电阻时，输出平均电压约为：u2u1RLLuo电感滤波的特点：整流管导电角较大，峰值电流很小，输出特性比较平坦，适用于低电压大电流(RL较小)的场合。缺点是电感铁芯笨重，体积大，易引起电磁干扰。u2u1RLLuo电感电流不能跳变故负载电流可持续1.5.1稳压二极管UIIZIZmaxUZIZ稳压灵敏度曲线越陡，电压越稳定。UZ1.5稳压二极管及其应用反向击穿电压最小稳定电流IZminUZ＋－

稳压管正常工作时加反向电压

稳压管反向击穿后，电流变化很大，但其两端电压变化很小，利用此特性，稳压管在电路中可起稳压作用。稳压原理uoiZDZRiLiuiRL+－限流电阻+－uiuoUz稳压管特性iziuRUo稳定（4）稳定电流IZ、最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。（5）最大允许功耗稳压二极管的参数（1）稳定电压UZ（2）电压温度系数U（%/℃）

稳压值受温度变化影响的系数。（3）动态电阻负载电阻。求输入电压分别为10V、15V、20V时的输出电压和流过二极管的电流。例1：图示稳压电路中，已知：解：当稳压二极管处于反向击穿状态时能正常工作UoIZDZRILIUiRL+－限流电阻+－可见，该电路中稳压管能正常工作的最小输入电压为15V，此时输出电压U0＝6V，流过稳压管的电流为3mA。若Ui＝20V，稳压管能正常工作，输出电压U0＝6VUR＝UI－U0＝20－6＝14V流过稳压二极管的电流为I－IO＝14－6＝8mA若Ui＝10V，稳压管未进入反向击穿区，电路中R和RL串联，输出电压U0＝5V随着半导体工艺的发展，现在已生产并广泛应用的单片集成稳压电源，具有体积小，可靠性高，使用灵活，价格低廉等优点。最简单的集成稳压电源只有输入，输出和公共引出端，故称之为三端集成稳压器。本节主要介绍常用的W7800系列三端集成稳压器，其内部也是串联型晶体管稳压电路。该组件的外形如下图，稳压器的硅片封装在普通功率管的外壳内，电路内部附有短路和过热保护环节。4.5.2集成稳压电路1端:输入端2端:公共端3端:输出端W7800系列稳压器外形1231端:公共端2端:输入端3端:输出端W7900系列稳压器外形123注：金属封装和塑料封装管脚定义不同，使用时一定要先查手册。注：型号后XX两位数字代表输出电压值输出额定电压值有如下系列:5V、9V、12V、18V、24V等。